Бионическая архитектура

1. Бионика.

«...органическая архитектура—это архитектура «изнутри наружу»,

в которой идеалом  является целостность.

Мы  не употребляем слово  «органик» в смысле

«принадлежащий  к растительному  или животному  миру».

Понятие «бионика» (от греч. «биос» –– жизнь), появившись в начале ХХ в., стало обозначать некую формирующуюся область научного знания, основанную на открытии и использовании закономерностей построения естественных природных форм для решения технических, технологических и художественных (напр. дизайн) задач на основе анализа структуры, морфологии и жизнедеятельности биологических организмов. С бионикой также принято связывать биомеханику –– раздел биофизики, изучающей механические, динамические и морфологические свойства и особенности живых организмов, а также нейробионику, изучающую строение нервной системы человека, животных и моделирование на этой основе клеток-нейронов и нейронных сетей.

Своего  рода «днем рождения» бионики  принято считать 13 сентября 1960 г. –– день открытия в США Международного симпозиума в г.Дайтоне «Живые прототипы искусственных систем –– ключ к новой технике», который официально закрепил создание новой науки. Само же название «бионика» было предложено на этом симпозиуме американским исследователем Дж.Стилом и было принято как официальное наименование новой области знания. С этого момента у архитекторов, дизайнеров, конструкторов и т.д. возникает формальное право на постоянный поиск новых средств формообразования, отвечающих возрастающей динамике жизни и соответствующей возможностям научно-технического прогресса. Представители науки «бионики» избрали для обозначения нового направления эмблему –– скальпель и паяльник, соединенные интегралом с девизом: «живые прототипы –– ключ к новой технике».

В СССР к началу 1980 гг. благодаря многолетним  усилиям коллектива специалистов лаборатории  ЦНИЭЛАБ, просуществовавшей до начала 1990 гг., архитектурная бионика окончательно сложилась как новое направление  в архитектуре. В это время  выходит итоговая монография большого международного коллектива авторов  и сотрудников этой лаборатории  под общей редакцией Ю.С.Лебедева «Архитектурная бионика» (1990). С гибелью  руководителя лаборатории Ю.С.Лебедева теоретические бионические исследования практически сводятся на нет, и бионическое направление в России фактически длительное время находится в состоянии стагнации с возобновлением интереса к нему со стороны преимущественно архитекторов только в начале ХХI в. Для архитектуры начала 70 гг. ХХ века характерна тенденция максимального уподобления строительных форм природным.

Современная бионика имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурирования живых тканей; техническая бионика применяет модели теоретической бионики для реализации различных технических задач; бионическое моделирование, специфика которого состоит в том, что ведется поиск путей и способов реализации в объекте проектирования отдельных сторон сложной биологической формы; представляющее новационную область бионики ее нейробионическое направление (нейробионика) связано с реализацией природных морфологических принципов в конструировании и построении различного уровня нейронных сетей.

Начало  ХХ и в особенности начало XXI века в архитектуре ознаменовалось возрождением интереса к сложным криволинейным  формам, подчас напоминающим формы  живой природы, а иногда и способным  к трансформациям. Не случайно темой  Венецианской архитектурной бьеннале 2004 г. был выбран термин «Метаморфозы». Возрождается, уже на новом уровне, и органическая архитектура, своими корнями уходящая в конец XIX–начало XX века, к творчеству Л.Салливена и Ф.Л.Райта, провозгласивших, что архитектурная форма, как и в живой природе, должна быть функциональной и развиваться как бы «изнутри наружу». Само появление бионики, перекидывающей мосты от биологии к технике, было предопределено некой генерализованной цивилизационно-технологической обусловленностью, ибо издавна известно, что, например, дельфины и некоторые рыбы плавают быстрее, чем самые современные корабли. Поэтому при всё возрастающей скорости современных надводных конструкций объектом исследования ученых становится тело и кожа дельфинов для применения в кораблестроении тех природных механизмов, которые позволяют дельфину двигаться быстрее. Изучение аналогии в живой и неживой природе получило распространение для дальнейшего использования принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов при совершенствовании как  уже существующих технических объектов, так и при создании принципиально новых механизмов, строительных конструкций, аппаратов и даже компьютерных систем. 

2. Гармоничное формирование архитектурно-природной  среды (экологический  аспект архитектурной  бионики).

«Каждое здание, предназначенное  для человека,

должно  быть составной частью ландшафта,

его чертой, родственной  местности и неотъемлемой от нее.

Дом – это поистине вторая кожа не только человека,

но  и той точки  земли, где он возведен»

Чтобы выжить в суровых условиях, человек  давно сооружает искусственные  оболочки для жилья: сначала пещеры, потом дома, затем квартиры и т.п.

Природная среда является для человека, с  одной стороны, источником неблагоприятных  климатических воздействий, от которых  необходима защита, с другой стороны, источником жизненных сил, с которыми должна быть постоянная связь. Эти противоречия составляют причину постоянного  улучшения жилья человека.

Экология - это не столько наука о защите окружающей среды от человека (как  иногда думают), сколько наука о  современных способах развития природы  и человека. Сегодня мы научились  хорошо защищаться от ветра, дождя, холода в жилом доме. Но при этом отрываемся  
все больше и больше от деревьев, травы и неба.

Технократическое  развитие последних десятилетий  почти полностью подчинило себе образ жизни человека. Это привело  к тому, что постепенно, шаг за шагом, человечество вышло из своей  экологической ниши обитания на планете. Фактически, мы стали жителями искусственной  «природы», созданной из стекла, бетона и пластика, экологическая совместимость  которой с жизнью живого организма  неуклонно стремится к нулю. И  чем сильнее искусственная природа  захватывает живую, тем более  явственной становится глубинная тоска  человека по естественной природной  гармонии. Тем более ярко проявляется  желание переломить ситуацию, найти  ту золотую середину, которая восстановила бы равновесие между техническим  прогрессом и человеком как явлением природы. Одним из таких способов восстановления равновесия, возврата к природе и стала архитектурная  бионика.

Визуальная  среда является одним из важных экологических факторов, учитывая тот факт, что 80 % информации человек получает посредством зрения. Неблагоприятная визуальная среда может вызывать у человека раздражение, привести к тяжелым психическим расстройствам и даже становиться причиной повышения агрессивности. Этой проблемой и ее решением занимается видеоэкология – новое научное направление, нацеленное на изучение видимой среды как экологического фактора.

В современных  крупных городах присутствует агрессивная  визуальная среда, которую создают  однотипные прямоугольные здания с  гладкими поверхностями, с однообразными  серыми оттенками. Окружающая визуальная среда не соответствует физиологическим  нормам зрения. Однообразная визуальная среда провоцирует человека на агрессию, ученые говорят о возникновении  «синдрома больших городов» в  городах с однообразными типовыми постройками. Человек подавляется  однообразием – развивается депрессии, астения, неврозы. Архитектурное проектирование домов, бионических сооружений, напротив разнообразна, в ней отсутствуют прямые линии и углы, она является естественным продолжением самой природы.

Формы, линии бионических сооружений дополняют ту местность, в которой предполагается строительство таких сооружений. Когда человек смотрит на подобное здание, у него не возникает чувства раздражения – глазу есть за что зацепиться.

Еще полвека  назад известный японский архитектор Кисе Курокава, который также использовал идеи бионики в своих проектах, говорил о переходе от «принципа машин к принципу жизни» и о том, что способность человека существовать в симбиозе с другими жизненными формами и системами планеты является определяющей для выживания его как биологического вида.

Уже сейчас в городах мира появляется все  больше «биморфных» зданий, поражающих своей красотой и гармоничностью, все чаще в конструкциях жилых домов и общественных зданий используются солнечные батареи и другие альтернативные источники энергии. Возможно, когда-нибудь наши дома будут похожи на птиц, деревья или цветы, сливающиеся с окружающими пейзажами, а технические решения позволят нам дышать чистым воздухом и жить в естественной природной среде, не причиняя ей вреда.

Бионика – это инновационный архитектурный  стиль, берущий все самое лучшее от природы: рельефы, контуры, формы. Это  архитектура будущего, которая в  своей конечной цели стремиться к  синтезу природы и современных  технологий. Во всем мире идеи бионической архитектуры успешно воплощены известными архитекторами: небоскреб-кипарис в Шанхае, Сиднейская опера в Австралии, здание правления NMB Bank – Нидерланды, небоскреб SONY и музей плодов – в Японии.

Бионическая архитектура предполагает создание домов являющихся естественным продолжением природы, не вступающих с ней в конфликт. Бионическая архитектура в своем дальнейшем развитии стремится к созданию экодомов – энергоэффективных и комфортных зданий с независимыми системами жизнеобеспечения. Конструкция такого дома предусматривает комплекс инженерного оборудования. При строительстве используются экологически совместимые с человеком материалы и строительные конструкции. В идеале, дом будущего – это автономная самообеспечивающаяся система, органично вписывающаяся в природный ландшафт и существующая в гармонии с природой. Бионический стиль равнозначен по своему содержанию понятию экоархитектура и напрямую связан с экологией.

Сейчас, например, ученые занимаются глубоким изучением механизма фотосинтеза. С их точки зрения, этот процесс, наряду со многими другими  функциями  зеленого листа, может быть использован для создания так называемых «дышащих» стен, кровли-мембраны или нового поколения экологически чистых строительных материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Использование в архитектуре  природных проявлений гармонии.

Архитектор  не должен отказываться от красок,

а напротив использовать их для придания жизни

  формам и объемам.  Цвет - это дополнение  формы и 

самое яркое проявление жизни

Первое  впечатление о здании в бионическом стиле - постройки выбиваются из правильной геометрии. Природные формы объекта будят воображение. В бионике стены подобны живым мембранам. Пластичные и протяженные стены и окна выявляют направленную сверху вниз силу нагрузки и противодействующую ей силу сопротивления материалов. Благодаря ритмической игре меняющихся вогнутых и выпуклых поверхностей стен сооружений кажется, что здание дышит. Здесь стена уже не просто перегородка, она живет подобно организму.

Только  представьте, войдя в органическое здание, вы ощущаете себя погруженным  в чудесный мир, наполненный светом прозрачного цвета. Цвет создает  особый мир интерьера, оживляя и  открывая материалы, просвечивающиеся под слоем краски. Цвет живет и  движется по своим законам. Создается  впечатление, что он влияет на усиление либо ослабление функций здания и  пространства.

В бионическом строении благодаря постоянно меняющемуся балансу взаимодействия желаний и пространственных возможностей человек испытывает ощущение движения - в покое, и покоя - в движении пространства. Малейшее движение сдвигает баланс сил, благодаря чему меняется восприятие пространства. Постоянство и изменение, симметрия и асимметрия, защищенная интимность и широкая открытость существуют в хрупком равновесии. Заметьте, и в движении, и в покое всегда присутствует ощущение равновесия.

Бионика стремится максимально раскрыть назначение каждого помещения в  жилище. Никакой взаимозаменяемости комнат. Спать нужно в спальне, готовить на кухне, а гостей принимать  в гостиной. Каждая комната предназначена  для отведённой ей роли и оборудована  для этого с наибольшим комфортом. 
 
 

4. Проблемы  формообразования живой  природы.

От  функций к форме  и к закономерностям 

формообразования - таков основной путь архитектурной  бионики.

Каждое живое существо на планете является совершенной работающей системой, приспособленной к окружающей среде. Жизнеспособность таких систем – результат эволюции многих миллионов лет. Раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в архитектуре сооружений.

Бионическая направленность уже издавна позволяла создавать формы построений и формы архитектуры исходя из их природного назначения и возможностей природных материалов, т.е. как конструирование, так и само построение объектов стало во многом предопределяться особенностями создания подобных форм природой с характерной для нее взаимосвязанной организацией внешних форм и использованием их в строительстве: типы каменных кладок и креплений, кладки деревянных изб, плетеных поверхностей, конструктивных швов, соединяющих полотнища тканей, луковичные формы православных церквей и т.д. Всё время существования цивилизации и культуры природные формы выступали неиссякаемым источником для технических и технологических решений, выступая уподоблением природному формообразованию.

В этом плане внимание архитекторов, конструкторов, дизайнеров и т.д. к законам формообразования и использование в этих областях форм живой природы предстает  глубоко закономерным и обусловленным, ибо живая природа в процессе своего развития имеет тенденцию  и стремится к органической целесообразности существования, связанной с минимальным  расходом энергии, строительного материала  и времени. Подобная целесообразность и направленность природных форм, как представляется, и стала основой  использования закономерностей  формообразования живых структур в  конструктивном, техническом и технологическом  плане в искусственных объектах.

Формообразование  в живой природе характеризуется  пластичностью и комбинаторностью, взаимосвязью элементов структуры, разнообразием как правильных геометрических форм и фигур –– окружностей, овалов, ромбов, кубов, треугольников, квадратов, различного рода многоугольников, так и бесконечным множеством чрезвычайно сложных и удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций, созданных в результате комбинирования этих элементов. В этом смысле формообразование в природе отражает не только эволюцию развития живых организмов, но и многочисленные корректировки их структуры для достижения идеального варианта.

Проблематика  науки и творчества в области  архитектурной бионики может  быть отнесена к следующим основным позициям. 
1. Биоматериаловедение охватывает широкую сферу исследовательских и экспериментальных работ, объектом которых является изучение удивительных свойств биоматериалов и их "производных" — тканей животных организмов, стеблей и листьев растений, нитей паутины, усиков тыкв, функциональных систем организмов и т.п. 
Современное биоматериаловедение ставит трудные задачи создания новых строительных материалов, обладающих новыми свойствами и составом на основе структуры биоматериалов живой материи. Кроме того, правильное использование самих биоматериапов в архитектурной практике в более широких границах, чем обычное "зеленое строительство", проводимое для достижения оздоровительных целей и создания защитных конструкций архитектуры , — одна из перспективных и важных его задач. 
2. Биотектоника является широкой областью изучения и освоения закономерностей, форм и строения живой материи и их применения в области конструирования. В фокусе своих научных и творческих интересов биотектоника концентрирует освоение новых способов и технических средств, сочетаемых с поисками эстетических форм конструкций, для материальной организации пространственной среды человеческой жизни в архитектуре. 
Главные проблемы биотектоники заключаются в создании новых конструкций на основе принципов и способов действия биоконструкций в живой природе; способов связи и узлов конструкций, взятых из конструирования живой природы; в создании целостных материальных структур как органического единства конструктивных и неконструктивных элементов на основе взаимодействия подобных элементов в живой природе; в использовании систем интернации и экстернации для осуществления новых тектонических систем в архитектуре по образцам живой природы; в осуществлении адаптации и роста гибких тектонических систем на основе адаптации и роста живых организмов. 

Важным  моментом, сыгравшим свою роль в  обращении архитекторов и конструкторов  к живой природе, явилось внедрение  в практику пространственных конструктивных систем, выгодных в экономическом  отношении, но сложных в смысле их математического расчета. Прообразами  этих систем во многих случаях были структурные формы природы. Такие  формы начали успешно применяться  в различных типологических областях архитектуры, в строительстве большепролетных  и высотных сооружений, создании быстро трансформирующихся конструкций, стандартизации элементов зданий и сооружений и  т.д.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется  новым строительным технологиям. Так  в области разработок эффективных  и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные  ракушки, например у широко распространенного  «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда  жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше.

В качестве примера архитектурно - бионического моделирования можно привести следующий фрагмент из научных отчетов: «Исследование вертикальных конструктивных форм живой природы» (Ю.С.Лебедев, В.Ф.Жданов при участии Л.И.Беловой).

В 1970-1980 гг. с целью изучения поставленной задачи были предприняты исследования купальницы европейской (Trollus europalus L).Сбор экземпляров на стадии цветения составил 70 шт (в Подмосковье, на Кольском полуострове в Заполярье). Линейные размеры – длина (высота) несущего стебля растения, длина междоузлий измерялись с точностью +- 0,5 мм; предельная относительная ошибка измерений диаметра междоузлий, а также веса органов и в целом всего растения не превышала +- 10%.

Высота  несущего стебля от корневой шейки  растения до основания чашелистика  изменяется в пределах 37-78 см. Вероятностное  распределение данного параметра  соответствует нормальному закону. Среднее значение его 55,1; коэффициент  вариации +-16%.

Несущий стебель содержит не более8 междоузлий. Наиболее распространены растения с 3-4 узлами (4-5 междоузлий) на стебле.

Вероятностное распределение размещения узлов  на стебле растений имеет полимодальный  характер; особенно стоит отметить две устойчивые моды, соответствующие  классовом интервалом распределения  со средним значением 0,425 и 0,575. Наличие  этих мод обусловлено внутренними  генетическими факторами, присущими  данному виду растений.

Статистическая  обработка измерений длин междоузлий показала, что средние значения относительных  величин данного параметра хорошо согласуются с числами, функционально  связанными с «золотым сечением»  Далее в таблицу сводятся числовые ряды, выражающие средние значения длины междоузлий растений с различным  числом узлов. Подробнее этот расчет см. «Архитектурная бионика» Лебедев  Ю.С. (1990г М:Стройиздат)

Измерения диаметров междоузлий показывает, что  их относительные значения также  можно представить в виде числового  ряда, каждый член которого является функцией «золотого сечения». Наибольшее значение диаметра характерно для верхнего конца  первого междоузлия; среднее значение 3мм, наименьший – верхнему концу  последнего междоузлия; среднее значение находится в интервале 1,8-1,9 мм. Коэффициент  вариации диаметров каждого междоузлия равен в среднем 17%.

На основании  полученных результатов можно построить  различные геометрические модели стебля. На поперечных разрезах стебля у основания  конструкции фигура сечения имеет  форму окружности , которая затем  сменяется формой многоугольника с 13 (11-15) вершинами, переходящее по мере продвижения к вершине в восьмиугольник. При этом изменение фигуры сечения сопровождается ее вращением, а ребра жесткости – каннелюры – образуют винтовую поверхность. Такая конструкция обеспечивает вертикальную и пространственную жесткость, а также возможность использования внутреннего пространства для обеспечения биологических процессов жизнедеятельности растения. Далее вычисляется еще ряд показателей, характеризующих сечения и конструкцию целиком (отношение масс, объемного веса, площадей, объемов и т.д.) Использование подобной конструкции можно наблюдать и в ряде современных проектов и построек. 
 
Вот несколько биологических конструкций, используемых в архитектуре:

• Паутина – необычайно легкий, экономичный сетчатый материал;
• Пчелиные соты, воск;
• Муравьиное гнездо. Принцип его построения напоминает о зданиях, возводимых людьми. Имеются подвальные помещения, каждое из которых имеет сво предназначение;
• Мягкая мочалка. Ее необычайный узор подходит для изготовления прочных и одновременно элегантных конструкций, которые, например, можно использовать как большие емкости для перевозки воды или масла;
• Клеточная мембрана. Двойной переплет жировых китаров, обволокивающий живую клетку, уже используется в так называемой микро-архитектуре.

Можно привести 5 наиболее известных технологий:

1. энергоэффективное здание с низким потреблением энергии или с нулевым потреблением энергии из стандартных источников (Energy Efficient Building or Zero Energy Efficient Building)
2. пассивное здание (Passive Building). В нем предусмотрено применение энергосберегающих строительных материалов и конструкций. В таких зданиях почти нет традиционных отопительных систем.
3. биоклиматическая архитектура (Bioclimatic Architecture). Одно из направлений в стиле hi - tech. Главный принцип биоклиматической архитектуры - гармония с природой: "… чтобы птица, залетев в офис, не заметила, что она внутри него". В основном, известны многочисленные биоклиматические небоскребы, в которых наравне с заградительными системами, активно применяется многослойное остекление (double skin technology) обеспечивающее шумоизоляцию и поддержку микроклимата вкупе с вентилляцией.
4. интеллектуальное или умное здание (Intellectual Building). Здание, в котором оптимизированы потоки света и тепла в помещениях и ограждающих конструкциях, с помощью компьютерных технологий и автоматизации.
5. здоровое здание (Healthy Building). Здание, в котором, наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии приоритетными являются природные строительные материалы (смеси из земли и глины, дерево, камень, песок, и т.д.) Технологии «здорового» дома учитывают достижения в области очистки воздуха от вредных испарений, газов, радиоактивных веществ (газ Радон), мелко-частичной пыли (вызывающей аллергические болезни), формальдегидов (выбросы от курения) бактерий и т.д.

5.История использования форм живой природы в архитектурной практике.

Духовный  аспект создания бионических форм связан

с попыткой осознать предназначение человека.

В соответствии с этим архитектура трактуется

как «место», где раскрывается смысл человеческого бытия>.

Архитектурная бионика возникла не случайно. Она  результат предшествующего опыта  использования в том или ином виде (чаще всего – ассоциативном  и подражательном) определенных свойств  или характеристик форм живой  природы в архитектуре – гипостильные залы египетских храмов в Луксоре и Карнаке, капители и колонны античных ордеров, интерьеры готических соборов, образный строй русских церквей.

Созданные из камня монументальные египетские сооружения будто вырастают из бескрайних песков Ливийской пустыни, а пирамиды Теотиуакана в Мексике похожи на высящиеся над землей горы. Кроме того, в строительстве пирамид использован принцип, на котором основано все множество объектов органической природы, - принцип «золотого сечения».

Еще одна концепция бионической архитектуры – создание эко-домов, которые строятся из природных материалов, органично вписываются в природный ландшафт и являются автономными самообеспечивающимися системами. С этой точки зрения, к бионической архитектуре можно отнести все еще привычные нам деревенские дома, являющиеся частью вполне автономной системы отдельных сельских хозяйств. В более глобальном смысле сюда «вписываются» все постройки, которые возводились человеком еще до начала повального технического бума. Возможно, строились они из натуральных материалов (дерева, глины) исключительно потому, что ничего другого попросту и не было – применение железобетона в строительстве, например, насчитывает не более 160 лет - но сути это не меняет. Все они являются своего рода эко-домами с той лишь разницей, что современная концепция эко-дома шагнула дальше: сегодня при проектировании экологичного жилья большое внимание уделяется разработке систем, которые позволяли бы использовать энергоресурсы природы для обеспечения его обитателя современными благами цивилизации – светом, теплом, горячей водой.

К бионической архитектуре относят также здания и архитектурные комплексы, которые органично вписываются в природный ландшафт, являясь как бы его продолжением. Пожалуй, к одним из самых ярких примеров такой архитектуры можно отнести творения современного швейцарского архитектора Петера Цумтора. Наравне с современными строительными материалами, он использует уже существующие природные элементы – горы, холмы, газоны, деревья, практически не видоизменяя их. Его сооружения словно растут из земли, а, порой, настолько сливаются с окружающей природой, что их не сразу можно обнаружить, как, например, Термы в Швейцарии, которые со стороны кажутся просто зеленой площадкой.

Возникновение данной области в истории архитектуры  является относительной новацией: так, зодчий итальянского Возрождения Ф.Брунеллески  в качестве основы для конструирования  купола Флорентийского собора взял скорлупу яйца, а Леонардо да Винчи копировал  формы живой природы при изображении  и конструировании строительных, военных и даже летательных аппаратов. И ныне принято считать, что первым, кто начал изучать механику полета живых моделей «с бионических позиций», был именно Леонардо да Винчи, которому принадлежит «первенство» в изобретении модели геликоптера (вертолета) и который пытался построить летательный аппарат с машущим крылом (орнитоптер).